使用LPC1700的IEC 60601-1-8音頻警報(bào)發(fā)生器
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時(shí)間：2010-02-08
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IEC（國(guó)際電工委員會(huì)）提供了第一個(gè)關(guān)于醫(yī)療設(shè)備音頻和視頻報(bào)警的重點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)，即IEC60601-1-8。通過(guò)將重點(diǎn)聚焦于資料的音頻警告部分，IEC60601-1-8標(biāo)準(zhǔn)要求，必須使特定的旋律對(duì)應(yīng)于特定的生理機(jī)能。這樣就能保證報(bào)警的數(shù)量是有限的，而不會(huì)在不同的制造商之間隨意變化。它也將報(bào)警的數(shù)量限制在8個(gè)，并使用了每一個(gè)的告誡和緊急形式。緊急（高級(jí)優(yōu)先權(quán)）形式使用重復(fù)的五音符旋律。告誡（中等優(yōu)先權(quán)）報(bào)警使用高級(jí)優(yōu)先權(quán)形式的前三個(gè)音符，但不重復(fù)。將察覺(jué)的緊急程度設(shè)計(jì)到聲音中的某些原理已經(jīng)被應(yīng)用到這些信號(hào)中；例如，中等優(yōu)先權(quán)音調(diào)比高級(jí)優(yōu)先權(quán)音調(diào)更緩慢的上升和下降時(shí)間，以及用于高級(jí)優(yōu)先權(quán)報(bào)警的比較快的節(jié)拍。標(biāo)準(zhǔn)中也提供了一種任選的低級(jí)優(yōu)先權(quán)報(bào)警音調(diào)；該聲音只有兩個(gè)音符。
IEC60601-1-8音頻報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)提供了富有和聲的音調(diào)，以便使它們?nèi)菀锥ㄎ弧⒉⒛芊乐蛊帘蔚母蓴_。范疇與對(duì)應(yīng)旋律的數(shù)量都有限，從而能獲得容易掌握的不同報(bào)警順序。另外，報(bào)警的優(yōu)先權(quán)決定了報(bào)警中音符的數(shù)量，以及音符順序的動(dòng)態(tài)特征。這使得人們?nèi)菀状_定報(bào)警的緊急程度。這樣，IEC60601-1-8標(biāo)準(zhǔn)解決了許多以前報(bào)警的限制因素，而且將有助于改善患者的安全性。
以算法形式生成IEC60601-1-8報(bào)警
當(dāng)前許多的IEC60601-1-8實(shí)施方案都是回放儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中的錄音形式的報(bào)警。其缺點(diǎn)是，它需要占用大量的存儲(chǔ)器空間來(lái)儲(chǔ)存文件，以及程序空間來(lái)控制回放。與之相比，以算法形式生成報(bào)警在存儲(chǔ)器利用方面是一種非常有效的方法，而且允許有相當(dāng)大的靈活性，能夠在滿(mǎn)足IEC60601-1-8技術(shù)規(guī)格的同時(shí)對(duì)音符進(jìn)行自定義。
芯片上要求的功能資源
為了在芯片上合成報(bào)警音調(diào)，需要在固件中實(shí)施下列功能：
定時(shí)信號(hào)發(fā)生器－這提供定時(shí)基準(zhǔn)，以便以數(shù)字形式構(gòu)建報(bào)警音調(diào)，從而有效地設(shè)定內(nèi)部樣品速率和DAC輸出速率。這還提供用于音符定序器和包絡(luò)發(fā)生器的時(shí)間基準(zhǔn)。
包絡(luò)發(fā)生器－這控制音符脈沖的上升時(shí)間、下降時(shí)間和振幅。音符的上升和下降時(shí)間也是報(bào)警優(yōu)先權(quán)的函數(shù)。
音符定序器－基于報(bào)警的類(lèi)型和優(yōu)先權(quán)等級(jí)，以正確的節(jié)拍按順序通過(guò)正確的音符。
音符發(fā)生器－這生成組合起來(lái)形成基本音符與諧波的多重正弦波音調(diào)；由這些基本音符和諧波構(gòu)成警告音符。
關(guān)于演示模式，通過(guò)UART1和終端程序提供一個(gè)菜單驅(qū)動(dòng)的用戶(hù)接口。這包括不同的菜單、一個(gè)串行端口驅(qū)動(dòng)程序、和一個(gè)簡(jiǎn)單的命令處理程序。
定時(shí)信號(hào)發(fā)生器
它利用芯片上的定時(shí)器來(lái)設(shè)定用于算法音調(diào)發(fā)生器的采樣速率/DAC輸出速率。針對(duì)25 ksps的DAC輸出速率，定時(shí)器被設(shè)置為每隔40μs生成一個(gè)中斷。這被選擇為處于音頻范圍上方，而且遠(yuǎn)高于Nyquist（尼奎斯特）頻率，以允許在DAC上采用低成本的濾波器。中斷服務(wù)程序中的軟件計(jì)時(shí)器也提供1 ms的超時(shí)。如下文所述，它被用于包絡(luò)控制功能和音符定序器。
包絡(luò)發(fā)生器
包絡(luò)發(fā)生器控制正在生成的音調(diào)的動(dòng)態(tài)音量。由于IEC技術(shù)規(guī)格包括音調(diào)的上升和下降時(shí)間，所以生成一個(gè)基于時(shí)間的變量。當(dāng)音符打開(kāi)時(shí)，包絡(luò)變量的值以受控的速率從0增大到最大設(shè)定水平。當(dāng)音符關(guān)閉時(shí)，這也會(huì)同樣發(fā)生；音量將以受控的速率減小，直到它達(dá)到0為止。上升和下降時(shí)間是可以編程的；而且，與高級(jí)優(yōu)先權(quán)音調(diào)相比，中等和低級(jí)優(yōu)先權(quán)音調(diào)具有較慢的上升/下降時(shí)間。包絡(luò)發(fā)生器使用1 ms超時(shí)作為其定時(shí)基準(zhǔn)。
音符定序器
作為報(bào)警之分類(lèi)和優(yōu)先權(quán)的函數(shù)，IEC 60601-1-8標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了相對(duì)音符順序和音調(diào)的瞬時(shí)特征。音符定序器輸出具有正確持續(xù)時(shí)間和間隔的音調(diào)，以滿(mǎn)足給定優(yōu)先權(quán)的報(bào)警的瞬時(shí)特征。對(duì)于高級(jí)優(yōu)先權(quán)報(bào)警，其順序被規(guī)定為一種5音符順序；它重復(fù)一次，所以總共有10個(gè)音符。中等優(yōu)先權(quán)報(bào)警是一種3音符順序，但不重復(fù)。關(guān)于給定報(bào)警類(lèi)型的三音符順序與同類(lèi)高級(jí)優(yōu)先權(quán)順序的前三個(gè)音符相同，以便更加容易地掌握?qǐng)?bào)警。高級(jí)優(yōu)先權(quán)報(bào)警的節(jié)拍快于中等優(yōu)先權(quán)報(bào)警。不同數(shù)量的音符和節(jié)拍差異能夠容易地區(qū)分報(bào)警的優(yōu)先權(quán)。
音符發(fā)生器
為了容易地符合標(biāo)準(zhǔn)，基本音符和4個(gè)諧波將作為單獨(dú)的正弦波而生成，然后由數(shù)字方式組合起來(lái)。在芯片上生成正弦波的方法有很多種：包括正弦表查找、數(shù)學(xué)庫(kù)算法、泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)和遞歸振蕩器。遞歸振蕩器是一種具有合適系數(shù)的IIR濾波器結(jié)構(gòu)，一旦正確地初始化，就能實(shí)現(xiàn)振蕩。由于這是比較有效的方法之一，而且具有非常低的失真，因此遞歸振蕩器將被用于生成每個(gè)音符所需要的基本音符和4個(gè)諧波。
圖1 雙抽頭IIR濾波器
Goertzel算法
最有用的遞歸方法之一是Goertzel算法；圖1顯示了一種簡(jiǎn)單的雙抽頭IIR濾波器。這是非常有用的算法，除了作為正弦波發(fā)生器以外，它還能被用作窄帶音調(diào)探測(cè)器。通過(guò)分析作為振蕩器的算法，隨著以固定的跨度增大角度，我們想要能夠計(jì)算該角度的正弦值。假設(shè)能夠從正弦級(jí)數(shù)中的兩個(gè)以前的增量值來(lái)計(jì)算角度的正弦值，那么針對(duì)圖1，就能寫(xiě)出公式（1）：
（1）在公式（1）中，x和y是IIR濾波器的系數(shù)，“a”是起始角，而“b”是增量角。為了找出兩個(gè)系數(shù)的值，重新整理并簡(jiǎn)化公式1，如公式2所示。
（2）通過(guò)代入下列三角恒等式，繼續(xù)擴(kuò)展公式2：
（3）我們得出：
重新整理：
（5）為了確保此式對(duì)于所有n都成立，必須讓括號(hào)中的兩個(gè)表達(dá)式滿(mǎn)足：
（6）當(dāng)求解時(shí)，這就能得出用于遞歸IIR濾波器的系數(shù)：
（7）將它代回到原始公式中，得出：
（8）重新整理：
（9）代入樣品值Y［n］＝sin（a＋nb），得出：
（10）由于系數(shù)之一等于-1，所以在每個(gè)步距角增量處的計(jì)算就只需要涉及兩個(gè)以前計(jì)算結(jié)果的一個(gè)乘法和一個(gè)減法（假設(shè)系數(shù)已事先計(jì)算出來(lái)）。在運(yùn)行了上面的公式后，y［-1］值被移入到y(tǒng)［-2］變量中，并且將計(jì)算出的y［n］值移入到y(tǒng)［-1］變量中，以準(zhǔn)備在下一個(gè)步距角處的計(jì)算。這促進(jìn)了Cortex-M3非常有效的運(yùn)行。
Goertzel初始化
為了讓Goertzel能夠作為振蕩器發(fā)揮作用，y［-1］和y［-2］值必須要進(jìn)行初始化。如果我們?cè)O(shè)y［-1］＝0，那么y［-2］應(yīng)該具有在零交叉之前的一個(gè)增量正弦值的值，或者：
（11）系數(shù)也必須在下面的公式12中計(jì)算。
為了將Goertzel算法作為音調(diào)探測(cè)器使用，y［-1］和y［-2］二者都應(yīng)該被初始化到“0”。然后，輸入應(yīng)該加入到計(jì)算中。在特定數(shù)量的樣品之后，輸入在探測(cè)頻率處的振幅就能夠從下列公式來(lái)計(jì)算：
存在關(guān)于此式的優(yōu)化形式，以簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)運(yùn)算，但這里只是為了解釋原理。為了將它用作連續(xù)的音調(diào)探測(cè)器，在執(zhí)行了此計(jì)算之后，y［-1］和y［-2］應(yīng)該再次設(shè)定為零，然后進(jìn)行下一個(gè)采集和探測(cè)順序。
代碼實(shí)施－音頻報(bào)警合成
評(píng)論